ГИДРОУДАРНИК Российский патент 2001 года по МПК E21B4/14 

Изобретение относится к технике бурения, а именно к гидравлическим забойным устройствам для проходки скважин различного назначения.

Известен "Гидроударник" прямого действия, включающий корпус с размещенными в нем подпружиненным поршнем-бойком, наковальней и подпружиненным клапаном [1].

Это устройство имеет следующий недостаток: для отключения гидроударника необходимо снижение расхода промывочной жидкости до определенного уровня, что бывает недостаточно для эффективной очистки забоя от шлама.

Известен "Гидроударник" с регулируемой характеристикой прямого действия, включающий подпружиненный переходник со штоком, при перемещении которых под действием осевой нагрузки изменяется величина рабочего хода клапана и ударника [2].

Это устройство имеет следующий недостаток:
- наличие наковальни, вводя дополнительный подвижный элемент, усложняет конструкцию, снижая тем самым надежность всего устройства;
- постоянно прижатие клапана к поршню ударника исключает возможность слива жидкости из НКТ при подъеме устройства на поверхность и возможность отключения гидроударника при прямых промывках забоя скважины;
- применение в клапанной камере двух телескопических соединений с уплотнительными элементами усложняет конструкцию и снижает надежность всего устройства;
- размещение ударника, наковальни и возвратной пружины в корпусе гидроударника ограничивает возможности применения пружин различных типоразмеров внутренним диаметром корпуса гидроударника, что снижает технологические возможности гидроударника и оперативность контроля за техническим состоянием рабочих поверхностей.

Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства и улучшение условий эксплуатации.

Поставленная цель решается описываемым устройством, содержащим корпус, разделенный перегородкой с каналами, подпружиненный полый ударник с упорным кольцом и кольцевым выступом, подпружиненный клапан на штанге с упорной шайбой, присоединительная резьба, новым является то, что с целью улучшения условий эксплуатации он снабжен направляющей втулкой, регулировочной шайбой, пружиной, причем направляющая втулка соединена с нижней частью ударника с возможностью телескопического взаимодействия, кольцевой выступ выполнен в верхней части наружной поверхности ударннка, регулировочная шайба размещена на ударнике между упорным кольцом и пружиной ударника, пружина клапана размещена на штанге между перегородкой корпуса и клапаном, ударник подпружинен относительно направляющей втулки, на нижней поверхности ударника выполнена присоединительная резьба, наружная поверхность ударника между кольцевым выступом и упорным кольцом выполнена граненой с возможностью телескопического взаимодействия с корпусом, упорная шайба соединена с верхней частью штанги с возможностью продольного перемещения.

Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволило сделать вывод о соответствии критериям "новизна" и "существенные отличия" предлагаемого решения.

На чертеже представлено предлагаемое устройство в исходном - отключенном состоянии, т. е. обеспечивающее возможность промывки скважины как в прямом, так и обратном направлении.

Устройство спускают в скважину на колонне труб (не показано). Оно содержит полый корпус 1 с внутренним кольцевым выступом 2, перегородкой 3 с осевым 4 и продольными 5 каналами, а также наружной кольцевой поверхностью 6. В осевом канале 4 перегородки 3 размещена штанга 7, на нижнем конце которой закреплен клапан 8 и концентрично размещена пружина 9, а на верхней части штанги 7 размещены пружина 10, ограничитель 11 и упорное кольцо 12 с возможностью продольного перемещения вдоль штанги 7. В нижней части корпуса 1 на внутренний кольцевой выступ 2 опирается полый ударник 13 верхним кольцевым выступом 14. На верхней торцевой поверхности ударника 13 выполнена поверхность для посадки клапана-седла клапана 15. На наружной поверхности ударника 13 выполнен кольцевой выступ 16 и размещены регулировочная шайба 17, рабочая пружина 18 и присоединительная резьба 19 для крепления породоразрушающего инструмента 20. Наружная поверхность 21 ударника 13 между верхним кольцевым выступом 14 и упорным кольцом 16 выполнена граненой для телескопического взаимодействия с осевым каналом 22 корпуса 1. Нижней частью ударник 13 размещен в осевом канале 23 направляющей втулки 24.

Устройство работает следующим образом.

Гидроударник на колонне труб спускают в скважину. Под действием силы тяжести подвижные детали гидроударника перемещаются вниз и принимают положение, показанное на чертеже.

При перемещении вниз седла клапана 15, находящегося на верхней торцевой поверхности ударника 13, увеличивается расстояние между клапаном 8 и седлом клапана 15, т.е. открывается канал для беспрепятственного выхода жидкости из полости труб через осевой канал ударника 13 и сливные каналы породоразрушающего инструмента 20 в межтрубное пространство скважины.

Показанное на чертеже положение гидроударника соответствует положению устройства для прямой или обратной промывки скважины.

При движения вниз гидроударника на колонне труб в определенный момент времени происходит соприкосновение нижней торцевой поверхности направляющей втулки 24 гидроударника с забоем скважины. При этом направляющая втулка 24 и размещенные на ней подпружиненный ударник 13 с породоразрушающим инструментом 20 прекращают движение вниз. Но корпус 1 гидроударника, закрепленный на колонне труб, продолжает движение вниз, перемещаясь вдоль наружной поверхности 21 ударника 13 до тех пор, пока наружная кольцевая поверхность 6 корпуса 1 не соприкоснется с кольцевым выступом 16 ударника 13. С этого момента для движения вниз корпуса 1 гидроударника необходимо преодолевать сопротивление пружины 18, которая через направляющую втулку 24 опирается на забой скважины.

В момент контакта наружной кольцевой поверхности 6 корпуса 1 с кольцевым выступом 16 ударника 13 подпружиненный пружиной 9 клапан 8 посадкой на седло клапана 15 на верхней торцевой поверхности ударника 13 перекрывает осевой канал ударника 13, прекращая выход жидкости из полости труб в межтрубное пространство скважины. При этом происходит увеличение давления нагнетания жидкости в полости труб. Давление жидкости действует на заглушенную клапанном 8 торцевую поверхность ударника 13 гидроударника. С увеличением давления в полости труб наступает момент, когда сила, действующая на ударник 13, прямо пропорциональная давлению нагнетания, преодолевает сопротивление пружины 18, и ударник 13 перемещается вниз. Так как торцевая поверхность ударника 13 заглушена клапаном 8, повышение давления жидкости продолжается, при этом с ударником 13 вниз перемещается и клапан 8 до тех пор, пока упорное кольцо 12 нижней торцевой поверхностью не соприкоснется с верхней торцевой поверхностью ограничителя 11. В этот момент движение вниз клапана 8 прекращается, но под действием давления жидкости ударник 13 продолжает движение вниз. Происходит отрыв клапана 8 от седла клапана 15 и перемещение клапана 8 вверх под действием возвратной пружины 10 в начальное положение.

При отрыве клапана 8 от торцевой поверхности ударника 13 некоторое время ударник 13 движется вниз под действием сил инерции и скоростного напора жидкости до момента удара породоразрушающим инструментом 20 о забой скважины. При открытом осевом канале ударника 13 жидкость через сливные каналы породоразрушающего инструмента 20 устремляется в межтрубное пространство скважины, обеспечивая интенсивную очистку забоя скважины от разрушенной породы.

Пояснение возможности регулировки мощности единичного удара.

Необходимая энергия единичного удара может быть достигнута за счет изменения массы ударника или его скорости, т.е.,

При неизменной массе ударника на мощность единичного удара основное влияние оказывает скорость ударника.

Определим факторы, влияющие на скорость ударника. Результирующая всех сил, действующих на ударник, упрощенно определяется формулой:
F=m·a=P·S-F_пр,
где P - давление жидкости в полости корпуса при запущенном осевом канале ударника,
S - площадь сечения ударника в месте телескопического соединения ударника 13 с корпусом 1,
F_пр - результирующая сила сжатия пружины от осевой нагрузки и при движении ударника вниз.

При ударе породоразрушающего инструмента о забой скважины конечная скорость ударника 13 при движении его вниз равна нулю (v_к=0).

т. е. с ростом осевой нагрузки увеличивается сила сопротивления пружины F_пр. движению ударника вниз. С ростом силы сопротивления пружины растет давление нагнетания в полости корпуса для преодоления этого сопротивления, растет время, необходимое для повышения давления, Т.е. с ростом осевой нагрузки на гидроударник увеличивается мощность единичного удара и наоборот.

Технико-экономические преимущества устройства в следующем:
- исключается применение нескольких гидроударников при проходке различных видов пород за счет обеспечения возможности регулирования рабочих характеристик гидроударника изменением осевой нагрузки;
- снижается время на бурение скважин за счет обеспечения возможности эффективной промывки забоя скважины повышенными расходами промывочной жидкости при отключенном гидроударнике;
- применение изобретения позволит рационально использовать ресурс гидроударника за счет отключения гидроударника при промывках;
- при изготовлении устройства снижаются материальные затраты за счет уменьшения количества деталей, возрастает надежность за счет уменьшения подвижных частей с уплотнительными элементами;
- применение изобретения позволит исключить разрыв скважинной жидкости на устье при подъеме устройства на поверхность и последующей затраты на ликвидацию загрязнения.

Использованная литература:
1. Гидроударник ав. св. СССР N 794135, МКИ E 21 B 4/06, 30.01.78 г.

2. Гидроударник ав. св. СССР N 145188, МКИ E 21 B 5/00, 23.06.61 г.

Изобретение относится к технике бурения, а именно к гидравлическим забойным устройствам для проходки скважин различного назначения. Гидроударник содержит корпус, разделенный перегородкой с каналами, подпружиненный полый ударник с упорным кольцом и кольцевым выступом, подпружиненный клапан на штанге с упорной шайбой, при этом гидроударник снабжен направляющей втулкой, регулировочной шайбой и пружиной, а направляющая втулка соединена с нижней частью ударника с возможностью телескопического взаимодействия, кольцевой выступ выполнен в верхней части наружной поверхности ударника, регулировочная шайба размещена на ударнике между упорным кольцом и пружиной ударника, пружина клапана размещена на штанге между перегородкой корпуса и клапаном, ударник подпружинен относительно направляющей втулки, на нижней поверхности ударника выполнена присоединительная резьба, наружная поверхность ударника между кольцевым выступом и упорным кольцом выполнена граненой с возможностью телескопического взаимодействия с корпусом, упорная шайба соединена с верхней частью штанги с возможностью продольного перемещения. Изобретение обеспечивает улучшение условий эксплуатации за счет возможности обеспечения регулирования рабочих характеристик гидроударника путем изменения осевой нагрузки. 1 ил.

Гидроударник, содержащий корпус, разделенный перегородкой с каналами, подпружиненный полый ударник с упорным кольцом и кольцевым выступом, подпружиненный клапан на штанге с упорной шайбой, присоединительную резьбу, отличающийся тем, что для улучшения условий эксплуатации он снабжен направляющей втулкой, регулировочной шайбой, пружиной, причем направляющая втулка соединена с нижней частью ударника с возможностью телескопического взаимодействия, кольцевой выступ выполнен в верхней части наружной поверхности ударника, регулировочная шайба размещена на ударнике между упорным кольцом и пружиной ударника, пружина клапана размещена на штанге между перегородкой корпуса и клапаном, ударник подпружинен относительно направляющей втулки, на нижней поверхности ударника выполнена присоединительная резьба, наружная поверхность ударника между кольцевым выступом и упорным кольцом выполнена граненой с возможностью телескопического взаимодействия с корпусом, упорная шайба соединена с верхней частью штанги с возможностью продольного перемещения.